電視攝像機(jī)主要參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施

肖恒兵

(華中光電技術(shù)研究所—武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430223)

0 引言

電視攝像機(jī)是光電成像系統(tǒng)中的關(guān)鍵傳感器之一，在光電取證、監(jiān)視跟蹤、航天航空拍攝等諸多應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)電視攝像機(jī)的主要光電參數(shù)的準(zhǔn)確標(biāo)定是非常重要的，其成像質(zhì)量對(duì)于整個(gè)光電系統(tǒng)的特性指標(biāo)有著決定性的影響［1-2］。

電視攝像機(jī)需要評(píng)價(jià)的主要光電參數(shù)有兩部分［3-4］，一是其采用的探測(cè)器即CCD 的感光性能參數(shù)，包括響應(yīng)度、信噪比、靈敏度(最低照度或閾值照度)、動(dòng)態(tài)范圍;二是電視單機(jī)(含成像鏡頭)的成像質(zhì)量包括分辨力、對(duì)比度和畸變。

電視攝像機(jī)的專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠家(如敏通公司)一般都投入昂貴的經(jīng)費(fèi)建立了CCD 器件及電視單機(jī)的綜合參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，國(guó)外有一些天文臺(tái)自主開(kāi)發(fā)了精確測(cè)量電視攝像機(jī)參數(shù)的測(cè)試系統(tǒng)，如法國(guó)航天局Corot CCD Test System，南部歐洲天文臺(tái)的ESO CCD Testbench，這些設(shè)備的精度都非常高，對(duì)光信號(hào)的檢測(cè)都可按量子效率來(lái)計(jì)算。國(guó)內(nèi)也有研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出CCD 光電參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，可以檢測(cè)電視攝像機(jī)的光譜響應(yīng)參數(shù)［5］。

作為電視攝像機(jī)的用戶來(lái)說(shuō)，沒(méi)有必要像專(zhuān)業(yè)廠家那樣投入昂貴費(fèi)用建立高精度的測(cè)試系統(tǒng)，但充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和視頻圖像處理技術(shù)自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和搭建性價(jià)比高的綜合測(cè)試系統(tǒng)也是可行的。本文介紹一種基于視頻信號(hào)處理的電視攝像機(jī)主要光電參數(shù)綜合檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)施方案。采用特定的各類(lèi)測(cè)試目標(biāo)對(duì)攝像機(jī)成像，視頻圖像被高精度數(shù)字圖像采集卡捕獲并將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)，再通過(guò)數(shù)字圖像處理軟件自動(dòng)計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)上述參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)試。

1 測(cè)量原理

電視攝像機(jī)主要由CCD、驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理電路、電子接口電路、光學(xué)機(jī)械接口等構(gòu)成。在實(shí)際應(yīng)用中，被檢測(cè)對(duì)象的空間光強(qiáng)信息經(jīng)過(guò)光學(xué)鏡頭成像于CCD 的光敏面上，通過(guò)一系列的預(yù)處理，而后進(jìn)行視頻信號(hào)的合成，即將CCD 所輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為所需要的視頻格式(標(biāo)準(zhǔn)CCIR，EIA，PAL，NTSC 制式)輸出［6］。對(duì)于大多數(shù)使用者來(lái)說(shuō)，所要測(cè)試的是CCD 攝像機(jī)的參數(shù)而非CCD 器件的參數(shù)。因此可以把CCD 攝像機(jī)假想為一黑盒子，輸出信號(hào)就是標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)，則CCD 攝像機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量可轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)參數(shù)的測(cè)量。考慮到現(xiàn)今應(yīng)用中大多數(shù)要求較高的場(chǎng)合都采用數(shù)字圖像處理，模擬攝像機(jī)也是經(jīng)過(guò)圖像采集卡采集后輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理，因此可以利用采集后的數(shù)字圖像來(lái)分析測(cè)量感光性能參數(shù)和成像質(zhì)量參數(shù)。

1.1 感光參數(shù)

圖1 是CCD 感光參數(shù)測(cè)量原理圖，積分球通過(guò)計(jì)算機(jī)控制集成光源的發(fā)光強(qiáng)度來(lái)連續(xù)改變輸出光亮度，在出口處形成均勻朗伯面，照度變化范圍可調(diào)，應(yīng)事先對(duì)CCD 感光面處積分球光源輸出的光照度進(jìn)行標(biāo)定。CCD 輸出的信號(hào)通過(guò)圖像卡送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，通過(guò)圖像采集卡來(lái)測(cè)量CCD 各光敏元的電壓值(或灰度值)，這樣感光曲線轉(zhuǎn)換為CCD 靶面光照度與采集卡所采圖像的灰度積之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖1 CCD 感光性能測(cè)量裝置原理圖

圖2 CCD 感光特性響應(yīng)曲線

1)響應(yīng)度

CCD 攝像機(jī)響應(yīng)度又稱(chēng)線性系數(shù)，是指在CCD 攝像機(jī)感光曲線線性最好部分的灰度對(duì)于照度的響應(yīng)。從圖2 可看出CCD 攝像機(jī)飽和輸出以下的信號(hào)接近線性。而在照度較低時(shí)非線性相對(duì)嚴(yán)重。針對(duì)信號(hào)特點(diǎn)，采取固定終點(diǎn)值、縮變起點(diǎn)值的方法來(lái)搜索線性最好的部分。利用最小二乘法y=kx +b 擬和數(shù)據(jù)。其中y代表灰度值，x 代表照度值，k 代表線性系數(shù)。找出擬和誤差最小的數(shù)據(jù)部分，相應(yīng)的k 值即線性系數(shù)。

2)信噪比

信噪比是影響攝像機(jī)成像質(zhì)量和最終觀察距離的主要參數(shù)之一，一般要求信噪比越高越好。本系統(tǒng)中對(duì)CCD 攝像機(jī)信噪比的詳細(xì)測(cè)量原理見(jiàn)文獻(xiàn)［7］，本文不再累述。

3)靈敏度

CCD 攝像機(jī)靈敏度又稱(chēng)最低照度或閾值照度，它表示當(dāng)環(huán)境光照度降低到一定程度，而使CCD 攝像機(jī)所輸出的視頻信號(hào)電平低到某一規(guī)定值時(shí)，所對(duì)應(yīng)的環(huán)境照度。在提供相機(jī)最低照度的同時(shí)，應(yīng)表明測(cè)試時(shí)所使用鏡頭的相對(duì)孔徑［8］。最低照度值的測(cè)量可以通過(guò)搜尋感光曲線中的暗信號(hào)灰度值所對(duì)應(yīng)的最大的照度值得到。

4)動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍表征了攝像機(jī)對(duì)環(huán)境和目標(biāo)照度的工作范圍，對(duì)于某些全天候工作的攝像機(jī)來(lái)說(shuō)，在夜間和正午陽(yáng)光下也能正常工作，這就要求其動(dòng)態(tài)范圍足夠大。只要是采集卡的動(dòng)態(tài)范圍能夠大于攝像機(jī)本身視頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，就可以真實(shí)地測(cè)試視頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。提取感光曲線中飽和照度值與暗電流照度值作為CCD 攝像機(jī)的感光動(dòng)態(tài)范圍。用飽和灰度值Graymax與暗電流灰度值Graynoise的比值作為CCD 攝像機(jī)的輸出動(dòng)態(tài)范圍，見(jiàn)公式(1)。

1.2 成像質(zhì)量參數(shù)

分辨力、對(duì)比度和畸變指標(biāo)均是針對(duì)電視圖像而言，是評(píng)價(jià)成像質(zhì)量的最重要的三個(gè)參數(shù)。

1)電視圖像分辨力

電視圖像分辨力有時(shí)也稱(chēng)清晰度，對(duì)CCD 攝像機(jī)來(lái)說(shuō)，有垂直方向的清晰度和水平方向的清晰度，兩者的比值可稱(chēng)為清晰度比。由于垂直清晰度是固定的，所以攝像機(jī)的清晰度主要指水平清晰度。

水平清晰度定義為:當(dāng)用與畫(huà)面高度相等且黑白相間的垂直平行線作被攝物時(shí)，在水平方向上所能夠再現(xiàn)的線數(shù)，單位是“電視行(TVL)”，也稱(chēng)作“線”。黑白條圖形都是一定頻率的方波信號(hào)，所以根據(jù)行掃描速度和傳送帶寬也可確定水平清晰度的值。

水平清晰度用RH 表示，如果一條掃描線上能夠再現(xiàn)m 個(gè)像素，則水平清晰度可表示為

式中:m 為水平方向的像素?cái)?shù);V 是畫(huà)面的垂直高度;H 為水平長(zhǎng)度。

2)電視圖像對(duì)比度

電視圖像對(duì)比度通常用來(lái)表示一幅圖像中目標(biāo)與背景的黑白程度或灰度等級(jí)差，有時(shí)也用目標(biāo)與背景的亮度比來(lái)表示。它是與清晰度相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，一般來(lái)說(shuō)對(duì)比度越高，圖像越清晰［10］。

其定義公式為

式中:Ⅰo是被測(cè)目標(biāo)物的亮度;Ⅰb是目標(biāo)物背景亮度;C 為目標(biāo)對(duì)比度。

3)電視圖像畸變

電視圖像畸變可由畫(huà)面的垂直幅度的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示，有

式中:r 為不計(jì)歪曲像差時(shí)，以光軸為中心的像長(zhǎng)度;Δr 是由像差引起的像長(zhǎng)度的變化。

2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件組成與功能

設(shè)計(jì)一種基于目標(biāo)發(fā)生器和視頻圖像處理的模塊化、集成化的綜合測(cè)量系統(tǒng)，其主要組成有目標(biāo)發(fā)生器、控制器、數(shù)據(jù)采集器、圖像采集卡、PC 機(jī)及被測(cè)CCD 攝像機(jī)等，如圖3所示。

目標(biāo)發(fā)生器主要提供待測(cè)參數(shù)所需的三類(lèi)特定光源及目標(biāo)圖案，一是可見(jiàn)均勻積分球照度發(fā)生器，為感光參數(shù)提供足夠大的面光源并能保證均勻性;二是標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試燈光盒前加裝視頻綜合測(cè)試卡，為電視對(duì)比度和分辨力測(cè)量提供所需目標(biāo);三是畸變測(cè)試儀，主要由畸變測(cè)試卡與大視場(chǎng)平行光管組成，提供畸變測(cè)試所需的標(biāo)準(zhǔn)格子目標(biāo)。

控制器有兩種，一是鏡頭控制器，調(diào)整成像時(shí)光圈、焦距、像面清晰度等;二是積分球光源控制器，調(diào)節(jié)均勻面源按所需照度進(jìn)行改變。

圖3 綜合測(cè)試系統(tǒng)組成原理框圖

數(shù)據(jù)采集器主要是即時(shí)采集積分球的輸出光強(qiáng)度并送計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和顯示。

圖像采集卡是本系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，CCD 攝像機(jī)針對(duì)各特定目標(biāo)的成像輸出，均可通過(guò)圖像采集卡送給計(jì)算機(jī)，對(duì)采集的數(shù)字圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理與分析計(jì)算，求得所需參數(shù)。

2.2 軟件組成及功能

測(cè)量系統(tǒng)軟件主要由光源驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)采集器驅(qū)動(dòng)程序、圖像采集卡驅(qū)動(dòng)程序、串口驅(qū)動(dòng)程序以及數(shù)據(jù)處理與顯示程序構(gòu)成，其系統(tǒng)總體框圖如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)組成框圖

軟件主要功能有:

1)實(shí)現(xiàn)積分球光源輸出光亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)與顯示。

2)實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與分析，提供圖像各像元的灰度值與位置值。

3)實(shí)現(xiàn)CCD 感光特性測(cè)量，完成①線性響應(yīng)度測(cè)量，繪制曝光量-信號(hào)響應(yīng)曲線，并提供飽和曝光量照度值、飽和輸出信號(hào)灰度值及暗信號(hào)灰度值;②信噪比測(cè)量;③靈敏度(最低照度)測(cè)量;④動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量。

4)實(shí)現(xiàn)電視清晰度、對(duì)比度和畸變測(cè)量。

3 實(shí)測(cè)

以松下BP332e 一體化攝像機(jī)為例，在本裝置上進(jìn)行了主要參數(shù)的檢測(cè)。標(biāo)稱(chēng)參數(shù)為:

1/3″CCD

768(H)×576(V)像素

清晰度:570 TVL

信噪比:50 dB(AGC OFF)

最低照度:0.08 lx(F1.4)

動(dòng)態(tài)范圍:20 dB

鏡頭:精工ST16160M

對(duì)鏡頭畸變和對(duì)比度范圍未見(jiàn)說(shuō)明。

關(guān)于CCD 感光特性特別是信噪比測(cè)量裝置的測(cè)量過(guò)程和方法在文獻(xiàn)［7］中有詳細(xì)介紹，在本裝置上對(duì)該攝像機(jī)的感光參數(shù)測(cè)量重復(fù)了6 次來(lái)檢測(cè)重復(fù)精度，得到與圖2 一樣的6 條測(cè)試曲線，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。由表1 可看出本系統(tǒng)的測(cè)量重復(fù)性較好，信噪比測(cè)試結(jié)果略小于標(biāo)稱(chēng)值是因?yàn)樾盘?hào)傳輸線損等因素的影響。

表1 CCD 感光參數(shù)重復(fù)性測(cè)試數(shù)據(jù)表

成像質(zhì)量參數(shù)的檢測(cè)過(guò)程如下:

1)清晰度與對(duì)比度

在本組件中采用了VIDEOTEST VT-51 型標(biāo)準(zhǔn)色溫光源箱，其色溫為5100 K(±200 K)，是進(jìn)行視頻測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)色溫;視頻綜合測(cè)試卡采用VT-105 清晰度標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖板，詳見(jiàn)圖5所示。

用CCD 攝像機(jī)拍攝標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)綜合測(cè)試卡，測(cè)試卡置于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試燈光盒上均勻照亮，距攝像機(jī)約3 m處。視頻信號(hào)通過(guò)75 Ω 視頻電纜送給圖像采集卡來(lái)讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)用黑白監(jiān)視器觀察所拍攝的圖像。

圖5 視頻綜合測(cè)試卡圖案

對(duì)景物照度和光源色溫進(jìn)行設(shè)定，調(diào)節(jié)鏡頭焦距(或前后微移攝像機(jī))使測(cè)試卡的圖像充滿監(jiān)視器的屏幕，并通過(guò)精確對(duì)焦使圖像最清晰。

通過(guò)圖像采集卡專(zhuān)用軟件來(lái)讀取圖形數(shù)據(jù)。①搜索電視線所在的某行，當(dāng)顯示波形的波峰波谷之間差距縮小到一個(gè)極限值，幾乎難以分辨出波峰波谷時(shí)，即可得到攝像機(jī)的分辨力;②選取對(duì)比度目標(biāo)所在的區(qū)域，可得到某級(jí)對(duì)比度目標(biāo)的灰度值，通過(guò)公式(3)即可計(jì)算出對(duì)比度。

本次測(cè)量圖中，500 TVL 人眼可清晰分辨，550 TVL 人眼已分辨不清，但通過(guò)波形監(jiān)視器搜索可分辨出，因此可明確判斷該攝像機(jī)分辨力優(yōu)于550 TVL，與標(biāo)稱(chēng)值非常接近。十級(jí)灰階測(cè)試圖見(jiàn)圖6，十級(jí)灰階目標(biāo)的對(duì)比度測(cè)量值如表2所示(背景的灰度值為219.8)。

圖6 十級(jí)灰階測(cè)試圖

表2 十級(jí)灰階目標(biāo)對(duì)比度測(cè)量值

2)畸變

在測(cè)量電視圖像畸變時(shí)，首先對(duì)畸變測(cè)試卡攝像，在控制機(jī)械的監(jiān)視器上顯示其圖像。為了使形成的圖像位置有一個(gè)基準(zhǔn)，需在電視圖像上重疊一個(gè)由標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的測(cè)試格子圖形，并由方格的交叉點(diǎn)和測(cè)試卡交叉點(diǎn)的位置關(guān)系，使用opencv 的標(biāo)定函數(shù)利用Brown 算法，計(jì)算出畸變的百分比。其中，變焦倍數(shù):6 倍;廣角焦距:16 mm;廣角端畸變:2.58%;長(zhǎng)焦端畸變:0.329%?；儨y(cè)試卡和信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的格子信號(hào)如圖7、圖8所示。其軟件流程圖如圖9所示。

圖7 畸變測(cè)試卡

圖8 信號(hào)發(fā)生器格子信號(hào)

圖9 畸變測(cè)試流程圖

4 結(jié)論

本文主要針對(duì)軍用光電設(shè)備中使用的電視攝像機(jī)的檢測(cè)需要，設(shè)計(jì)了一種綜合性、一體化檢測(cè)平臺(tái)，對(duì)電視傳感器的驗(yàn)收由以往的人眼觀測(cè)、功能測(cè)試提升為計(jì)算機(jī)圖像處理自動(dòng)測(cè)試主要光電參數(shù)和成像質(zhì)量參數(shù)，實(shí)際測(cè)量結(jié)果滿足使用要求，有較高的重復(fù)性。此系統(tǒng)已應(yīng)用于某科研院所和修理廠作為對(duì)光電裝備的專(zhuān)用調(diào)試檢測(cè)設(shè)備。

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